Una trampa de Penning es un dispositivo para el almacenamiento de partículas cargadas utilizando un campo magnético homogéneo y un campo eléctrico cuadrupolar . Se encuentra principalmente en las ciencias físicas y campos de estudio relacionados como una herramienta para mediciones precisas de propiedades de iones y partículas subatómicas estables , como por ejemplo masa, [1] rendimientos de fisión y relaciones de rendimiento isomérico . Un objeto de estudio inicial fueron los llamados átomos de geonio, que representan una forma de medir el momento magnético del electrón almacenando un solo electrón. Estas trampas se han utilizado en la realización física de la computación cuántica y el procesamiento de información cuántica mediante el atrapamiento de qubits . Las trampas de Penning se utilizan en muchos laboratorios en todo el mundo, incluido el CERN , para almacenar e investigar antipartículas como los antiprotones . [2] Las principales ventajas de las trampas de Penning son los tiempos de almacenamiento potencialmente largos y la existencia de una multitud de técnicas para manipular y detectar de forma no destructiva las partículas almacenadas. [3] [4] Esto hace que las trampas de Penning sean herramientas versátiles para la investigación de partículas almacenadas, pero también para su selección, preparación o simplemente almacenamiento.
La trampa de Penning recibió el nombre de FM Penning (1894-1953) de manos de Hans Georg Dehmelt (1922-2017), quien construyó la primera trampa. Dehmelt se inspiró en el vacuómetro construido por FM Penning, en el que la corriente que pasa por un tubo de descarga en un campo magnético es proporcional a la presión. Citando la autobiografía de H. Dehmelt: [5]
"Comencé a centrarme en la geometría de descarga del magnetrón/Penning, que, en el medidor de iones Penning, ya había captado mi interés en Göttingen y en Duke. En su trabajo de resonancia de ciclotrón de 1955 sobre fotoelectrones en vacío, Franken y Liebes habían informado de cambios de frecuencia indeseables causados por atrapamiento accidental de electrones. Su análisis me hizo darme cuenta de que en un campo cuadrupolo eléctrico puro el cambio no dependería de la ubicación del electrón en la trampa. Esta es una ventaja importante sobre muchas otras trampas que decidí explotar. Una trampa de magnetrón de este tipo había sido brevemente analizada en el libro de 1949 de JR Pierce, y desarrollé una descripción simple de los movimientos axial, magnetrónico y ciclotrónico de un electrón en ella. Con la ayuda del experto soplador de vidrio del Departamento, Jake Jonson, construí mi primera trampa de magnetrón de alto vacío en 1959 y pronto pude atrapar electrones durante unos 10 segundos y detectar resonancias axiales, magnetrónicas y ciclotrónicas ". – H. Dehmelt
H. Dehmelt compartió el Premio Nobel de Física en 1989 por el desarrollo de la técnica de trampa de iones.
Las trampas de Penning utilizan un fuerte campo magnético axial homogéneo para confinar las partículas radialmente y un campo eléctrico cuadrupolar para confinar las partículas axialmente. [6] El potencial eléctrico estático se puede generar utilizando un conjunto de tres electrodos : un anillo y dos tapas terminales. En una trampa de Penning ideal, el anillo y las tapas terminales son hiperboloides de revolución. Para atrapar iones positivos (negativos), los electrodos de las tapas terminales se mantienen a un potencial positivo (negativo) en relación con el anillo. Este potencial produce un punto de silla en el centro de la trampa, que atrapa iones a lo largo de la dirección axial. El campo eléctrico hace que los iones oscilen (armónicamente en el caso de una trampa de Penning ideal) a lo largo del eje de la trampa. El campo magnético en combinación con el campo eléctrico hace que las partículas cargadas se muevan en el plano radial con un movimiento que traza un epitrocoide .
El movimiento orbital de los iones en el plano radial se compone de dos modos a frecuencias llamadas frecuencias de magnetrón y frecuencias de ciclotrón modificadas . Estos movimientos son similares al deferente y al epiciclo , respectivamente, del modelo ptolemaico del sistema solar.
La suma de estas dos frecuencias es la frecuencia del ciclotrón , que depende únicamente de la relación entre la carga eléctrica y la masa y de la intensidad del campo magnético . Esta frecuencia se puede medir con mucha precisión y se puede utilizar para medir las masas de partículas cargadas. Muchas de las mediciones de masa de mayor precisión (masas del electrón , protón , 2 H , 20 Ne y 28 Si ) provienen de trampas de Penning.
El enfriamiento por gas tampón , el enfriamiento resistivo y el enfriamiento por láser son técnicas para eliminar energía de los iones en una trampa de Penning. El enfriamiento por gas tampón se basa en colisiones entre los iones y las moléculas de gas neutro que acercan la energía de los iones a la energía de las moléculas de gas. En el enfriamiento resistivo, se hace que las cargas de imagen en movimiento en los electrodos realicen un trabajo a través de una resistencia externa, eliminando efectivamente la energía de los iones. El enfriamiento por láser se puede utilizar para eliminar energía de algunos tipos de iones en las trampas de Penning. Esta técnica requiere iones con una estructura electrónica apropiada . El enfriamiento radiativo es el proceso por el cual los iones pierden energía al crear ondas electromagnéticas en virtud de su aceleración en el campo magnético. Este proceso domina el enfriamiento de los electrones en las trampas de Penning, pero es muy pequeño y generalmente insignificante para partículas más pesadas.
El uso de la trampa de Penning puede tener ventajas sobre la trampa de radiofrecuencia ( trampa de Paul ). En primer lugar, en la trampa de Penning solo se aplican campos estáticos y, por lo tanto, no hay micromovimiento ni calentamiento resultante de los iones debido a los campos dinámicos, incluso para cristales de Coulomb de iones bidimensionales y tridimensionales extendidos. Además, la trampa de Penning se puede hacer más grande manteniendo al mismo tiempo un fuerte atrapamiento. El ion atrapado se puede mantener más alejado de las superficies de los electrodos. La interacción con los potenciales de parche en las superficies de los electrodos puede ser responsable de los efectos de calentamiento y decoherencia y estos efectos se escalan como una alta potencia de la distancia inversa entre el ion y el electrodo.
La espectrometría de masas por resonancia de ciclotrón iónico con transformada de Fourier (también conocida como espectrometría de masas por transformada de Fourier) es un tipo de espectrometría de masas que se utiliza para determinar la relación masa-carga (m/z) de iones en función de la frecuencia de ciclotrón de los iones en un campo magnético fijo. [7] Los iones quedan atrapados en una trampa de Penning donde se excitan a un radio de ciclotrón mayor mediante un campo eléctrico oscilante perpendicular al campo magnético. La excitación también hace que los iones se muevan en fase (en un paquete). La señal se detecta como una corriente de imagen en un par de placas cerca de las cuales pasa el paquete de iones mientras giran en ciclotrón. La señal resultante se denomina decaimiento por inducción libre (fid), transitorio o interferograma que consiste en una superposición de ondas sinusoidales . La señal útil se extrae de estos datos realizando una transformada de Fourier para dar un espectro de masas .
Los iones individuales se pueden investigar en una trampa de Penning mantenida a una temperatura de 4 K. Para ello, el electrodo de anillo se segmenta y los electrodos opuestos se conectan a una bobina superconductora y a la fuente y la compuerta de un transistor de efecto de campo . La bobina y las capacidades parásitas del circuito forman un circuito LC con un Q de aproximadamente 50 000. El circuito LC se excita mediante un pulso eléctrico externo. Los electrodos segmentados acoplan el movimiento del electrón individual al circuito LC. De este modo, la energía en el circuito LC en resonancia con el ion oscila lentamente entre los muchos electrones (10 000) en la compuerta del transistor de efecto de campo y el electrón individual. Esto se puede detectar en la señal en el drenador del transistor de efecto de campo.
Un átomo de geonio es un sistema pseudoatómico que consiste en un solo electrón o ion almacenado en una trampa de Penning que está "ligado" a la Tierra restante, de ahí el término "geonio". [8] El nombre fue acuñado por HG Dehmelt . [9]
En el caso típico, el sistema atrapado consta de una sola partícula o ion . Un sistema cuántico de este tipo está determinado por los estados cuánticos de una partícula , como en el átomo de hidrógeno . El hidrógeno consta de dos partículas, el núcleo y el electrón, pero el movimiento del electrón en relación con el núcleo es equivalente al de una partícula en un campo externo, véase el marco del centro de masas .
Las propiedades del geonio son diferentes a las de un átomo típico. La carga experimenta un movimiento ciclotrón alrededor del eje de la trampa y oscila a lo largo del eje. Se aplica un "campo de botella" magnético no homogéneo para medir las propiedades cuánticas mediante la técnica de " Stern-Gerlach continuo". Los niveles de energía y el factor g de la partícula se pueden medir con alta precisión. [9] Van Dyck, et al. exploraron la división magnética de los espectros de geonio en 1978 y en 1987 publicaron mediciones de alta precisión de los factores g de electrones y positrones, que restringían el radio del electrón. [ cita requerida ]
En noviembre de 2017, un equipo internacional de científicos aisló un solo protón en una trampa de Penning para medir su momento magnético con la mayor precisión hasta la fecha. [10] Se descubrió que2.792 847 344 62 (82) magnetones nucleares . El valor de CODATA 2018 coincide con este. [11]
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